Architecture de Von Neumann

Presque tous les ordinateurs modernes — d'un smartphone à un supercalculateur — suivent, au fond, le même plan proposé par John von Neumann en 1945 : un processeur, une mémoire qui stocke à la fois les données et les instructions, et un bus qui les relie.

Les quatre blocs fondamentaux

                    ┌─────────────────────────┐
                    │           CPU              │
                    │  ┌─────┐  ┌──────────────┐ │
                    │  │ ALU  │  │  Unité de      │ │
                    │  │(calc)│  │  contrôle      │ │
                    │  └─────┘  └──────────────┘ │
                    │       Registres              │
                    └───────────┬─────────────────┘
                                │  Bus (adresses, données, contrôle)
              ┌─────────────────┼─────────────────┐
              ▼                 ▼                 ▼
      ┌───────────────┐ ┌───────────────┐ ┌───────────────┐
      │     Mémoire      │ │  Entrées (E)    │ │  Sorties (S)    │
      │ (instructions ET │ │  clavier, souris,│ │  écran, haut-   │
      │  données)         │ │  réseau...       │ │  parleurs...    │
      └───────────────┘ └───────────────┘ └───────────────┘

• CPU (voir cours CPU) : exécute les instructions, effectue les calculs (ALU) et pilote le déroulement (unité de contrôle).
• Mémoire : stocke indifféremment le programme (les instructions) et les données qu'il manipule — c'est la caractéristique qui définit l'architecture de Von Neumann par opposition à Harvard (voir plus bas).
• Bus : le ou les canaux physiques qui transportent adresses, données et signaux de contrôle entre les blocs.
• E/S : tout ce qui fait entrer ou sortir de l'information du système.

Le cycle fetch-decode-execute

C'est la boucle infinie qui tourne dans un CPU, du démarrage à l'extinction :

   ┌──────────┐      ┌──────────┐      ┌──────────┐      ┌──────────┐
   │  FETCH     │ ──▶  │  DECODE    │ ──▶  │  EXECUTE   │ ──▶  │  STORE     │ ──┐
   │ Charger    │      │ Interpréter│      │ Effectuer  │      │ Écrire le  │   │
   │ l'instruc- │      │ l'instruc- │      │ l'opération│      │ résultat   │   │
   │ tion depuis│      │ tion (quel │      │ (calcul,   │      │ (registre/ │   │
   │ la mémoire │      │ opérande,  │      │ comparaison│      │ mémoire)   │   │
   │ (adresse   │      │ quelle     │      │ , saut...) │      │            │   │
   │ donnée par │      │ opération) │      │            │      │            │   │
   │ le Program │      │            │      │            │      │            │   │
   │ Counter)   │      │            │      │            │      │            │   │
   └──────────┘      └──────────┘      └──────────┘      └──────────┘   │
        ▲                                                                  │
        └──────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                    (le Program Counter avance vers l'instruction suivante)

Le Program Counter (PC), un registre spécial du CPU, pointe toujours vers la prochaine instruction à charger — un jump/branch (utilisé par les boucles et les if) consiste simplement à modifier directement cette adresse au lieu de la laisser avancer normalement.

Le goulot d'étranglement de Von Neumann

Puisque instructions ET données partagent le même bus vers la même mémoire, le CPU ne peut techniquement récupérer qu'une seule chose à la fois — même quand il pourrait en théorie calculer plus vite. C'est le "Von Neumann bottleneck", une des limites structurelles les plus citées en architecture des ordinateurs, et une des raisons pour lesquelles la hiérarchie de cache (voir CPU) est devenue aussi critique : elle réduit le nombre d'allers-retours nécessaires vers la mémoire principale.

Von Neumann vs Harvard

   Von Neumann                          Harvard

   ┌─────┐                              ┌─────┐
   │ CPU  │                              │ CPU  │
   └──┬──┘                              └┬───┬┘
      │ UN SEUL bus                       │   │  DEUX bus séparés
      ▼                                   ▼   ▼
   ┌─────────────────┐            ┌──────────┐ ┌──────────┐
   │ Mémoire unique     │            │ Mémoire    │ │ Mémoire    │
   │ (instructions +     │            │ programme  │ │ données    │
   │  données mélangées) │            │ (lecture   │ │ (lecture/  │
   └─────────────────┘            │ seule)     │ │ écriture)  │
                                    └──────────┘ └──────────┘

• Von Neumann : une mémoire unique, plus simple et flexible (un programme peut se modifier lui-même, se charger dynamiquement...) — c'est le modèle des PC, serveurs, smartphones.
• Harvard (pure) : mémoire programme et mémoire données physiquement séparées, chacune avec son propre bus — permet de charger une instruction et une donnée simultanément. Utilisé dans la plupart des microcontrôleurs (voir Embedded) et les DSP.
• En pratique, les CPU modernes sont des hybrides : Von Neumann au niveau de la mémoire principale (RAM), mais avec des caches L1 séparés instructions/données (architecture "Harvard modifiée") pour limiter le goulot d'étranglement.

Ce qu'il faut retenir

• Quatre blocs : CPU, mémoire, bus, E/S — la mémoire stocke indifféremment instructions et données.
• Le cycle fetch-decode-execute (piloté par le Program Counter) est la boucle fondamentale de tout CPU.
• Le goulot d'étranglement de Von Neumann (bus unique partagé) motive une bonne partie des optimisations matérielles modernes (caches, architectures hybrides).
• Harvard sépare physiquement mémoire programme et données — dominant dans l'embarqué, quasi absent des PC/serveurs grand public.

Pour aller plus loin

• Wikipedia — Von Neumann architecture
• Wikipedia — Harvard architecture
• Computer Organization and Design, Patterson & Hennessy — la référence académique historique du domaine.